52 / 2 (83), 2016

УДК 669 .017:669 .15–194:669 .112 .227 .3 Поступила11.04.2016

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ АУСТЕНИТИЗАЦИИ НА ВЕЛИЧИНУ ЗЕРНА СТАЛИ 31CrMoV9

EFFECTS OF TEMPERATURE ON AUSTENITIZING GRAIN SIZE STEEL 31CrMoV9

В.А.ЛУЦЕНКО,Т.Н.ГОЛУБЕНКО,О.В.ЛУЦЕНКО,Институтчернойметаллургии им.З.И.НекрасоваНАНУкраины,г.Днепропетровск,Украина,пл.АкадемикаСтародубова,1.E-mail:lutsenko@optima.com.ua, С.Н.ШЕХУРДИН,ОАО«БМЗ–управляющаякомпанияхолдинга«БМК»,г.Жлобин,Гомельскаяобл.,Беларусь,ул.Промышленная,37.

V.A.LUTSENKO,T.N.GOLUBENKO,O.V.LUTSENKO,FerrousMetalInstitutenamedafter Z.I.NEKRASOVoftheNationalAcademyofScienceofUkraine,Dnepropetrovsk,Ukraine,1,Starodubovave. E-mail:lutsenko@optima.com.ua, S.N.SHEHURDIN,JSW«BSW–ManagementCompanyofHolding«BMC»,Zhlobincity,GomelRegion,Belarus,37,Promyshlennayastr.

Изученовлияниетемпературыаустенитизациинаразмераустенитногозернахромомолибденованадиевойстали.Показано,чтопритемпературеаустенитизации850–1050ºСвструктурехромомолибденованадиевойсталиусловныйдиаметраустенитногозернаизменяетсяот0,063до0,084мм.

Austenitizingstudiedtheeffectoftemperatureonaustenitegrainsizeofthechrome-molybdenum-vanadiumsteel.Itisshownthatataustenitizing850–1050ºS in the structureof chrome-molybdenum-vanadiumsteelnominaldiameterofaustenitegrainvariesfrom0,063to0,084mm.

Ключевые слова. Хромомолибденованадиеваясталь,температура,структура,размерзерна.Keywords. Chrome-molybdenum-vanadiumsteel,temperature,structure,grainsize.

Непостоянство объемов заказов на машиностроительную продукцию в современных условиях тре-бует внедрения гибких технологических решений для сохранения рентабельности производства, что определяет первоочередность задач экономии энергоресурсов . Производство проката из сталей, углеро-дистых качественных (ГОСТ 1050-88) и легированных конструкционных (ГОСТ 4543-71), особенно важно для машиностроения . Отсутствие на внутреннем рынке некоторых сортовых профилей массового назначения вынуждает основных потребителей сортового проката (машиностроение и строительную от-расль) использовать аналогичные профили иностранного производства или заменять их другими имею-щимися профилями . Вследствие этого готовая продукция отечественного машиностроения имеет низ-кую конкурентоспособность .

Технологическая схема производства сортового проката представляет комплекс из трех основных операций, определяющих состав и компоновку оборудования: нагрева исходной заготовки; горячей про-катки необходимого сечения металла; охлаждения и отделки проката для придания ему необходимых свойств (механических, технологических) и формы .

Максимальная твердость после закалки, определяющая ее конструктивную прочность, обусловлена химическим составом стали . Однако повышенное содержание углерода и легирующих элементов в ста-ли приводит к высокой твердости, которая вызывает значительный износ и затрудняет механическую обработку .

Термическая обработка стального проката в машиностроении преследует основную цель: создать структуру проката, обеспечивающую высокопроизводительную обработку резанием, холодной высад-

/ 53 2 (83), 2016

кой или штамповкой . Этого в зависимости от марки стали, добиваются применением следующих про-цессов: нормализации, отжига, изотермического отжига или улучшения [1] .

В последнее время увеличивается количество новых марок стали для машиностроения . Основное внимание при разработке новых марок стали сосредоточено на повышении прочности и улучшении пла-стичности . Влияние ванадия в качестве легирующего элемента во многих отношениях аналогично влия-нию хрома [2] . Но по сравнению с хромом ванадий более резко ограничивает аустенитную область, а также обладает большим карбидообразующим действием . Ванадий образует, кроме цементита, ста-бильный карбид ванадия VC или V4C3 [3] .

Уже при небольшом содержании ванадия и небольшой скорости охлаждения превращение в перлит-ной области легированной стали оказывается подавленным, если при нагреве все карбиды ванадия были растворены . В то же время начало превращения в промежуточной области под влиянием ванадия почти не смещается . Перлитная и промежуточная области превращения разделяются при ~500 °С областью значительной устойчивости аустенита . При введении ванадия точка мартенситного превращения прак-тически не изменяется . Вследствие этого, а также и в связи со снижением критической скорости охлаж-дения в перлитной области на диаграммах изотермического превращения ванадиевых сталей особенно отчетливо выявляется промежуточная область . Ванадий способствует очень тонкому распределению карбидов в перлите, которое получается даже при небольшой скорости охлаждения или при сравнитель-но высокой температуре изотермического превращения [3] .

Поэтому представляло интерес изучить влияние предварительной термической обработки на струк-турообразование хромомолибденованадиевой стали .

Исходным материалом для исследований служили образцы проката диаметром 140 мм непрерывно-литой вакуумированной хромомолибденованадиевой стали марки 31CrMoV9 производства ОАО «БМЗ – управляющая компания холдинга «БМК» следующего химического состава: 0,337% C; 0,253% Si; 0,648% Mn; 2,587% Cr; 0,229% Mo; 0,011% P; 0,025% S .

Нагрев образцов проводили до температур в интервале 850–1050 °С, выдержка – 30 мин и охлажде-ние в воде . После закалки образцы подвергали отпуску при 250 °С в течение 1 ч с последующим охлаж-дением на воздухе .

Исследование структуры проводили с помощью микроскопов «NEOPHOT 2» и «Axiovert 200M MAT» . Структуру оценивали по ГОСТ 8233-56, определение размера зерна аустенита – по ГОСТ 5639-82 мето-дом травления границ зерен .

Известно [3], что в нормализованном состоянии твердость ванадиевых сталей ниже, чем углероди-стых, так как карбид ванадия имеет зернистую, а карбид железа – пластинчатую форму . Для производ-ства судовых деталей, распылителей форсунок, плунжерных пар, гильз и других ответственных деталей, которые должны обладать износостойкостью в условиях высоких давлений, применяется хромомолиб-денованадиевая сталь марки 31CrMoV9 (аналог 30Х3МФ) (табл . 1) .

Т а б л и ц а 1 . Требования к химическому составу исследуемой хромомолибденованадиевой стали

Марка стали СтандартСодержание химических элементов, %

C Si Mn Cr Mo V P S

31CrMoV9 EN 10085 0,27–0,34 ≤0,4 0,40–0,70 2,30–2,70 0,15–0,25 0,10–0,20 ≤0,025 ≤0,03530Х3МФ ГОСТ 4543-71 0,27–0,34 0,17–0,37 0,30–0,60 2,30–2,70 0,20–0,30 0,06–0,12 ≤0,035 ≤0,035

Термическая обработка необходима для обеспечения выполнения требований по механическим свойствам, предъявляемым к прокату из этих сталей (табл . 2) .

Т а б л и ц а 2 . Требования нормативов по механическим свойствам

Марка стали Стандарт σв, Н/мм2 σт, Н/мм2 δ5, % Y, % HB*

31CrMoV9 EN 10085 900–1100 >700 >11 – ≤24830Х3МФ ГОСТ 4543-71 >980 >835 >12 >55 ≤229

* Твердость после отжига .

Легирование дает возможность закаливать изделия больших сечений при меньших скоростях охлаж-дения . При этом уменьшается изменение линейных размеров деталей, а в отдельных случаях преду-преждается образование закалочных трещин .

54 / 2 (83), 2016

Так как от величины зерна аустенита зависят мно-гие механические свойства стали (особенно предел текучести и ударная вязкость), большое внимание уде-ляется именно размеру формируемого зерна .

Величина первоначальных зерен аустенита и их способность к последующему росту во многом опре-деляют величину действительного зерна, образующе-гося в процессе термической обработки . Известно [1], что величина зерна стали оказывает существенное влияние на механические свойства и твердость . Чем крупнее зерно, тем больше сталь склонна к закалоч-ным трещинам и деформации, а разнозернистость сильно снижает конструктивную прочность . При оди-наковой твердости сталь с крупным зерном лучше об-рабатывается резанием .

После прокатки и охлаждения на воздухе структура стали марки 31CrMoV9 состоит из бейнита (до 95%) и феррита (рис . 1) . Благодаря большому содержа-нию хрома в этой стали перлитное превращение при обычных скоростях охлаждения (на спокойном воздухе) подавляется . Перлитное превращение возможно только при очень малых скоростях охлажде-ния [2] .

Хромомолибденовые стали (42CrMo4) после горячей прокатки и охлаждения на воздухе имеют вы-сокие значения твердости [2], дополнительное легирование ванадием (31CrMoV9) существенно замед-ляет перлитное превращение, особенно процесс образования ферритокарбидной смеси, однако практи-чески не влияет на кинетику промежуточного превращения . Поэтому максимальные значения твердости исследуемой хромомолибденованадиевой стали после горячей прокатки и охлаждения на воздухе дости-гают значений более 380 НВ (рис . 2), что требует проведения смягчающей термической обработки .

После нагрева до различных температур (850–1050 °С), закалки и отпуска структура хромомолибде-нованадиевой стали состоит из отпущенного мартенсита (рис . 3) . При этом размер мартенситных пла-стин (игольчатость) зависит от величины исходных зерен аустенита: чем крупнее зерна аустенита, тем более крупноигольчатый мартенсит [3] .

Известно, что ванадий при определенных условиях повышает температуру начала сильного роста зерна, однако в случае медленного нагрева (<300 °С/ч) наблюдается аномально резкий рост зерна уже при 800–900 °С [3] .

Определение размера зерна аустенита показало, что структура исследованной стали имеет разнозер-нистость с размером зерна от 4-го до 7-го номера . Большая часть зерен аустенита (90–95%) имела 5–6-й номер, что соответствует требованиям EN 10085 (табл . 3) .

Условный диаметр зерна c повышением температуры аустенитизации увеличивается (табл . 3) . В хро-момолибденованадиевой стали также наблюдается увеличение растворимости карбидов ванадия при

Рис . 1 . Структура стали марки 31CrMoV9 после прокатки и охлаждения на воздухе . ×500

Рис . 2 . Влияние ванадия на значения твердости горячеката-ных хромомолибденсодержащих сталей

Рис . 3 . Структура стали марки 31CrMoV9 после закалки с температуры 850 °С и отпуска

/ 55 2 (83), 2016

высоких температурах [3], поэтому с повышением температуры закалки количество избыточных карби-дов уменьшается (рис . 4) .

ВыводыПри разработке новых легированных марок стали основное внимание сосредоточено на улучшении

пластичности при сохранении прочностных конструкционных характеристик . При этом существенное влияние на механические свойства и твердость оказывает величина зерна стали . Определено, что с по-вышением температуры аустенитизации от 850 до 1050 °С максимальный условный диаметр аустенит-ного зерна хромомолибденованадиевой стали увеличивается от 0,063 до 0,084 мм .

Литература1 . Лахтин Ю. М. Металловедение и термическая обработка металлов . М .: Металлургия, 1983 . 359 с . 2 . Lutsenko V. A., Bobkov P. A., Golubenko T. N., Drobyshevskii L. A., Gritsaenko V. I. Structure formation in the heat

treatment of alloy steel bar // Steel in Translation . 2013 . Vol . 43 . No . 6 . Р . 394–398 .3 . Гудремон Э. Специальные стали . М .: Металлургия, 1966, 1274 с .

References1 . Lahtin Ju. M. Metallovedeniei termicheskajaobrabotkametallov [Metal science and heat treatment], Moscow, Metallurgija

Publ ., 1983, 359 p . 2 . Lutsenko V. A., Bobkov P. A., Golubenko T. N., Drobyshevskii L. A., Gritsaenko V. I. Structure formation in the heat

treatment of alloy steel bar . SteelinTranslation, 2013, Vol . 43, Issue 6, рр . 394–398 .3 . Gudremon Je. Special’nyestali [Special steels] . Moscow, Metallurgija Publ ., 1966, 1274 p .

абРис . 4 . Структура стали марки 31CrMoV9 после закалки с температур 950 (а) и 1050 °С (б) и отпуска (травление границ зерен)

Т а б л и ц а 3 . Величина и количество зерен аустенита исследованной стали 31CrMoV9

Температура аустенитизации, °С

Количество зерен, % Условный диаметр зерна, мм

5-й номер 6-й номер min max

850 5 80 0,028 0,063950 25 65 0,033 0,0791050 30 60 0,029 0,084